Linux中mknod命令实现原理以及源码分析

本篇文章以mknod创建字符设备文件进行讲解

字符设备驱动的Demo例子可参考该篇文章
Linux 编写简单驱动并测试

1. mknod 命令

mknod /dev/hello c 520 0

该命令主要通过制定要创建的设备文件名称/dev/hello，以及设备类型c字符设备，最后的520 0 表示为主设备号和次设备号。
当我们使用该命令创建好了/dev/hello设备文件，当我们在用户态对该文件进行open()、write()、read()时，就会调用到/dev/hello设备文件对应的设备驱动的file_operations对应的.open、.write、.read回调函数。
那么这一切是怎么做到的呢？这就跟我们的mknod命令的实现有关。

2. mknod 原理

当我们输入mknod命令时，实际上会创建设备文件/dev/hello和所对应的inode，以及将主设备号和次设备号形成的设备号保存在inode的i_rdev中。

3. mknod 源码分析

已经知道mknode主要是为设备文件创建inode的原理后，我们来看一下代码是如何实现的。

3.1 mknod

SYSCALL_DEFINE3(mknod, const char __user *, filename, umode_t, mode, unsigned, dev)
{return do_mknodat(AT_FDCWD, getname(filename), mode, dev);
}

这个是mknod命令的系统调用，我们键入的命令mknod /dev/hello c 520 0，将会为这个函数进行赋值，赋值的内容如下：

filename = "/dev/hello";
mode = mode | S_IFCHR;
dev = MKDEV(520, 0);

3.2 do_mknodat

static int do_mknodat(int dfd, struct filename *name, umode_t mode,unsigned int dev)
{struct user_namespace *mnt_userns;struct dentry *dentry;struct path path;int error;unsigned int lookup_flags = 0;error = may_mknod(mode);if (error)goto out1;
retry:dentry = filename_create(dfd, name, &path, lookup_flags);error = PTR_ERR(dentry);if (IS_ERR(dentry))goto out1;if (!IS_POSIXACL(path.dentry->d_inode))mode &= ~current_umask();error = security_path_mknod(&path, dentry, mode, dev);if (error)goto out2;mnt_userns = mnt_user_ns(path.mnt);switch (mode & S_IFMT) {case 0: case S_IFREG:error = vfs_create(mnt_userns, path.dentry->d_inode,dentry, mode, true);if (!error)ima_post_path_mknod(mnt_userns, dentry);break;case S_IFCHR: case S_IFBLK:error = vfs_mknod(mnt_userns, path.dentry->d_inode,dentry, mode, new_decode_dev(dev));break;case S_IFIFO: case S_IFSOCK:error = vfs_mknod(mnt_userns, path.dentry->d_inode,dentry, mode, 0);break;}
out2:done_path_create(&path, dentry);if (retry_estale(error, lookup_flags)) {lookup_flags |= LOOKUP_REVAL;goto retry;}
out1:putname(name);return error;
}

由mknod()函数调用到do_mknodat()函数进行下一步的处理，在这个函数中我们可以看到几个主要流程步骤：

filename_create()函数初始化了一个struct dentry还有一个struct path，其中dentry表示当前/dev/hello的信息，而path则表示/dev的路径信息。
vfs_mknod()该函数是最主要的处理部分。由于我们输入的mknod /dev/hello c 520 0命令会让mode & S_IFCHR情况成立，所以会进入到vfs_mknod()创建inode流程。

3.3 vfs_mknod

int vfs_mknod(struct user_namespace *mnt_userns, struct inode *dir,struct dentry *dentry, umode_t mode, dev_t dev)
{bool is_whiteout = S_ISCHR(mode) && dev == WHITEOUT_DEV;int error = may_create(mnt_userns, dir, dentry);if (error)return error;if ((S_ISCHR(mode) || S_ISBLK(mode)) && !is_whiteout &&!capable(CAP_MKNOD))return -EPERM;if (!dir->i_op->mknod)return -EPERM;error = devcgroup_inode_mknod(mode, dev);if (error)return error;error = security_inode_mknod(dir, dentry, mode, dev);if (error)return error;error = dir->i_op->mknod(mnt_userns, dir, dentry, mode, dev);if (!error)fsnotify_create(dir, dentry);return error;
}
EXPORT_SYMBOL(vfs_mknod);

vfs_mknod()函数是创建inode的公共流程函数，现在可以分析一下传入的主要参数信息:

struct inode *dir：/dev目录所指向的inode信息
struct dentry *dentry：/dev/hello我们要创建的设备文件的dentry
umode_t mode：该mode是指的我们要创建的设备文件类型，如我们键入的mknod /dev/hello c 520 0命令，所以我们要创建的是字符设备，也就是说S_ISCHR(mode)等于true
dev_t dev：和开始进入mknod系统调用一样都是，dev = MKDEV(520, 0)
从vfs_mknod()函数来看，最终会由/dev所指向的inode中的i_op中的mknod回调函数进行处理，因此到这里算是分析一部分了。
而我们的/dev所指向的inode中的i_op中的mknod回调函数到底是什么呢？
答案：shmem_mknod()函数，具体为什么？是因为/dev是一个目录，这个目录对应的文件系统是devtmpfs，而这个devtmpfs文件系统所使用的struct inode_operations操作是shmem_dir_inode_operations，因此会调用到shmem_mknod()函数。

3.4 shmem_mknod

static int
shmem_mknod(struct user_namespace *mnt_userns, struct inode *dir,struct dentry *dentry, umode_t mode, dev_t dev)
{struct inode *inode;int error = -ENOSPC;inode = shmem_get_inode(dir->i_sb, dir, mode, dev, VM_NORESERVE);if (inode) {error = simple_acl_create(dir, inode);if (error)goto out_iput;error = security_inode_init_security(inode, dir,&dentry->d_name,shmem_initxattrs, NULL);if (error && error != -EOPNOTSUPP)goto out_iput;error = 0;dir->i_size += BOGO_DIRENT_SIZE;dir->i_ctime = dir->i_mtime = current_time(dir);d_instantiate(dentry, inode);dget(dentry); /* Extra count - pin the dentry in core */}return error;
out_iput:iput(inode);return error;
}

由shmem_mknod()调用到shmem_get_inode()函数完成最终的/dev/hello设备文件所对应的inode的创建。

3.4 shmem_get_inode

static struct inode *shmem_get_inode(struct super_block *sb, const struct inode *dir,umode_t mode, dev_t dev, unsigned long flags)
{struct inode *inode;struct shmem_inode_info *info;struct shmem_sb_info *sbinfo = SHMEM_SB(sb);ino_t ino;if (shmem_reserve_inode(sb, &ino))return NULL;inode = new_inode(sb);if (inode) {inode->i_ino = ino;inode_init_owner(&init_user_ns, inode, dir, mode);inode->i_blocks = 0;inode->i_atime = inode->i_mtime = inode->i_ctime = current_time(inode);inode->i_generation = prandom_u32();info = SHMEM_I(inode);memset(info, 0, (char *)inode - (char *)info);spin_lock_init(&info->lock);atomic_set(&info->stop_eviction, 0);info->seals = F_SEAL_SEAL;info->flags = flags & VM_NORESERVE;info->i_crtime = inode->i_mtime;INIT_LIST_HEAD(&info->shrinklist);INIT_LIST_HEAD(&info->swaplist);simple_xattrs_init(&info->xattrs);cache_no_acl(inode);mapping_set_large_folios(inode->i_mapping);switch (mode & S_IFMT) {default:inode->i_op = &shmem_special_inode_operations;init_special_inode(inode, mode, dev);break;case S_IFREG:inode->i_mapping->a_ops = &shmem_aops;inode->i_op = &shmem_inode_operations;inode->i_fop = &shmem_file_operations;mpol_shared_policy_init(&info->policy,shmem_get_sbmpol(sbinfo));break;case S_IFDIR:inc_nlink(inode);/* Some things misbehave if size == 0 on a directory */inode->i_size = 2 * BOGO_DIRENT_SIZE;inode->i_op = &shmem_dir_inode_operations;inode->i_fop = &simple_dir_operations;break;case S_IFLNK:/** Must not load anything in the rbtree,* mpol_free_shared_policy will not be called.*/mpol_shared_policy_init(&info->policy, NULL);break;}lockdep_annotate_inode_mutex_key(inode);} elseshmem_free_inode(sb);return inode;
}

从shmem_get_inode()函数可以得到几个关键步骤：

inode = new_inode(sb);这里会分配一个inode
如果分配到inode，则会对inode进行一系列的初始化设置
最后由init_special_inode完成对inode最后的设置

3.5 init_special_inode

void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{inode->i_mode = mode;if (S_ISCHR(mode)) {inode->i_fop = &def_chr_fops;inode->i_rdev = rdev;} else if (S_ISBLK(mode)) {inode->i_fop = &def_blk_fops;inode->i_rdev = rdev;} else if (S_ISFIFO(mode))inode->i_fop = &pipefifo_fops;else if (S_ISSOCK(mode));  /* leave it no_open_fops */elseprintk(KERN_DEBUG "init_special_inode: bogus i_mode (%o) for"" inode %s:%lu\n", mode, inode->i_sb->s_id,inode->i_ino);
}
EXPORT_SYMBOL(init_special_inode);

从init_special_inode()函数可以看出来，当执行mknod /dev/hello c 520 0命令为/dev/hello设备文件生成的inode时，由于指定的设备文件类型为字符类型，所以会为inode进行如下赋值操作：

if (S_ISCHR(mode)) {inode->i_fop = &def_chr_fops;inode->i_rdev = rdev;
}

4. 总结

到这里对于Linux中mknod命令实现原理以及源码分析已经结束。
我们执行mknod命令最终只是生成一个/dev/hello设备文件，而且为该设备文件生成对应的inode信息而已。
至于这个inode的信息如何使用，请看下一章节：
Linux中open命令实现原理以及源码分析
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